Model Fluid Flow in Mixers, Stirred Reactors,
and Rotating Machinery with the Mixer Module.


Meet Product Requirements via Simulation-Supported Design and Optimization

CFD 모듈의 추가 기능으로 사용 가능한 Mixer 모듈은 유체 혼합기와 교반 반응기에 대한 해석을 수행할 수 있습니다. 회전 기계 안에서의 유체 유동을 묘사하기 위한 전용 기능을 제공하는 Mixer 모듈은 여러 유체와 자유 계면을 모델링 하기 위한 물성 데이터를 제공합니다.

회전 부품이 있는 혼합기는 소비재, 의약품, 식품 및 정밀 화학 제품 생산과 같은 많은 산업 공정에서 사용됩니다. 종종 혼합기는 다양한 목적을 위해 일괄 처리되어 사용되고, 작은 부피로 생산되고 높은 가격으로 판매되는 생산물에서조차 매일 사용됩니다.

모든 혼합 공정들은 공통적으로 제품의 품질, 재현성 그리고 균일성이 가장 중요합니다. 이러한 제품 요건이 충족되는지 확인하는 하나의 방법은 혼합 공정 조작과 혼합기 자체의 작동을 설계하고 최적화하기 위해 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 모델 및 시뮬레이션은 파일럿 과정에 의해 유효성을 검사할 수 있고, 그 다음 정률 증가 계산을 위해 사용될 때 특히 유용합니다. 검증이 완료된 후에는 이러한 모델은 실험실에서 본격적인 생산으로 가는 과정에서 발생하는 구축과 실행에 관련된 비용을 절약하기 위해 사용될 수 있습니다.


Fluid Mixing Simulations

화학 및 유체 혼합은 일괄처리 및 연속 교반 탱크 반응기에서 화학 반응을 촉진하거나 일정한 용해, 결정화, 침전, 흡수 또는 추출 공정을 가능하게 하는 것과 같은 다양한 목적을 위해 필요할 수 있습니다. 회전하는 기계식 혼합기에는 임펠러와 배플과 같은 구성 요소를 포함할 수 있는 용기 도안이 포함됩니다. 이러한 구성 요소는 일반적으로 쉽게 사용할 수 있으며, 임펠러 및 용기의 선택은 의도된 과정 따라 달라집니다. 종종 임펠러는 교체할 수 있으며, 같은 용기에서 여러 가지 유체 또는 혼합 필요성에 따라서 사용됩니다.
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Modeling Fluid Flow with Rotating Machinery

Laminar Flow

Mixer 모듈은 회전 기기의 영향에 대한 유체 유동을 모델링 하기 위해 유연하고 강력한 물리 인터페이스를 포함합니다. 이것은 Navier-Stokes 방정식을 풀기 위해 저 레이놀즈 수의 혼합 모델링에 사용되는 특정 층류 조건이 포함되어 있습니다. 비압축성과 약한 압축성 유동(마하수 0.3까지)에 대해 적용할 수 있고, 비 뉴턴 유체 유동 시뮬레이션을 위한 기능도 포함되어 있습니다.

Turbulent Flow

회전 기기의 영향을 받는 난류 모델링에 적용 가능한 물리인터페이스는 평균 속도와 압력장에 대한 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 풀어서 수행합니다. 세 가지 난류 모델을 사용할 수 있으며, 이 모델들은 k-epsilon model, k-omega model과 저 레이놀즈 수 k-epsilon model이 있습니다. k-epsilon 모델은 정확도와 계산 요구 사항간에 좋은 절충안을 제공하는 반면, 계산 요구가 많은 저 레이놀즈 수 k-epsilon 모델은 특히 벽에 가까운 유체 흐름을 해석할 때 더욱 정확합니다. 또한 k-omega 모델은 k-epsilon 모델에 비해 덜 강건하지만, 특히 벽면 부근의 재 순환 영역에서 매우 정확한 결과를 제공합니다. 층류에 대한 물리 인터페이스와 유사하게 비 압축성과 압축성(마하수<0.3) 유동을 난류 흐름에서도 시뮬레이션 할 수 있습니다.

Non-Isothermal Flow

비 등온 및 부력 유동은 유체가 온도 구배에 영향을 받을 때 발생합니다. Mixer 모듈은 이를 지원하는 물리 인터페이스를 포함하고 있습니다. Non-Isothermal Flow 인터페이스는 온도와 유동장이 완전히 연계되는 기 정의된 기능을 제공하여 회전 기기에 의해 영향을 받는 마하수 0.3까지의 유동 시뮬레이션 수행이 가능합니다. 또한 유체와 고체에서의 열전달을 모델링할 수 있는 인터페이스도 포함되어 있습니다. Rotating Machinery, Non-Isothermal Flow 인터페이스는 앞서 설명한 난류 모델을 이용하여 층류 및 난류 모두에 사용할 수 있습니다.

Reacting Flow

회전하는 기계에 의해 영향을 받는 유량의 밀도 및 조성 변화는 화학 반응에 의해서도 발생할 수 있습니다. Mixer 모듈은 반응 유동을 지원하는 물리 인터페이스가 포함되어 있습니다. 이 인터페이스는 Transport of Concentrated Species 인터페이스로 계산된 혼합 밀도를 유체 유동 방정식과 자동으로 연계시킵니다. 회전 기기에 의해 지배되는 반응 유동은 층류로 가정 할 수 있을 뿐만 아니라, 앞서 설명한 난류 모델을 사용하여 난류로 가정하여 시뮬레이션 할 수도 있습니다.

Your Workflow When Simulating Mixers and Stirred Reactors

사용을 위해서 적절한 물리 인터페이스를 선택하는 것은 종종 경험, 실험 결과 또는 기타 정성 분석에 따라 달라집니다. 연관된 물리 법칙을 제외하면 잘못된 결과를 도출하게 되고, 반면 가능한 모든 원인을 포함하면 종종 계산 시간이 너무 길어집니다. Mixer 모듈에서 사용할 수 있는 Rotating Machinery 인터페이스는 여러 복잡성을 가진 시뮬레이션 설정에 도움이 됩니다. 만약 혼합되는 종이 이들을 포함하고있는 유체에 영향을 미치지 않는다면, 모델링 접근법은 유체 유동에 대하여 계산한 다음, 속도 장을 물질 전달 계산에 입력 값으로 사용하면 됩니다. 농축 된 혼합물, 반응 및 열적 변화는 종종 유체의 밀도와 점성과 같은 구성 성분 값에 영향을 주게 됩니다. 이러한 영향이 뚜렷해지면 Rotating Flow, Reacting Flow 인터페이스 또는 Rotating Flow, Non-Isothermal Flow 인터페이스로 각각 전환할 수 있습니다. COMSOL은 더 나아가 구조 해석을 설정하거나, 사용자가 정의할 수 있는 다른 물리 현상들을 추가하여 해석을 수행할 수 있습니다.


The Mixer Module Interfaces

Mixer 모듈은 유체에서 화학 종들의 물질 균형뿐만 아니라 운동량, 질량 및 에너지 보존 법칙을 기반한 일련의 물리 인터페이스들을 포함하고 있습니다. 유동장과 관련된 물리 법칙에 적용 가능한 보존 법칙들에 대한 다양한 조합과 표현식들은 Mixer 모듈에서 사용 가능한 내장된 물리 인터페이스를 통하여 접근할 수 있는 다양한 방정식들과 설정들을 만들게 됩니다.

이러한 물리 인터페이스들은 유체에 작용하는 회전 기기를 포함하는 고급 시뮬레이션이 가능합니다. 여기에는 층류 와 난류, 비압축성 및 약한 압축성 유동뿐만 아니라 비 뉴톤 유체도 포함됩니다. 유체 유동 방정식에서 온도, 반응 종 및 자유 표면의 영향을 기술하는 항과 식들을 포함하는 추가 물리 인터페이스를 사용할 수 있습니다. 이러한 유형의 유동에 대한 물리 인터페이스를 사용하면 임펠러의 전체 회전이 적용되거나 frozen-rotor 접근 방법을 사용한 2차원 및 3차원에서의 시간 해석 모델에 대한 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다.


Using the Time-Dependent Study or Frozen-Rotor Feature

회전 기계에 의해 영향을 받는 유체 유동에 대한 전 시간 해석은 기하학적 부품들이 서로에 대해 상대적으로 움직이는 것을 고려하며, 혼합 과정을 시뮬레이션 하기 위한 가장 정확한 방법입니다. COMSOL은 임펠러 또는 로터를 포함하는 모델링 도메인을 정의하고 벽과 배플과 같은 인공 구조물이 있는 외부 도메인을 정의합니다. 그 다음 두 도메인 사이의 통합을 위해 슬라이딩(sliding) 격자 기술을 사용합니다. 이 해법 과정에 의해 제공되는 정확도는 혼합기의 시작 조건 모델링을 조사할 때 필요합니다. 하지만 종종 이 방법은 일정 시간 후에 동작하는 혼합기와 준(pseudo) 정상상태 조건하에서 정상 작동 중 원하는 결과를 시뮬레이션 하는 경우 계산 비용이 많이 듭니다.

Mixer 모듈은 또한 계산 자원과 시간을 절약하는데 도움이 되는 Frozen Rotor 기능을 지원합니다. 이 기능은 회전 참조 프레임에 상대적으로 시스템 위상이 고정되거나 고정되어 있다는 가정하에 회전하는 유동을 시뮬레이션하며, 준정상상태 조건 시뮬레이션을 해석하는데 필요한 계산 자원을 상당히 줄여줍니다. 이 기능의 사용은 회전 도메인에서의 원심력과 코리올리 힘(Coriolis force)이 추가된 정상 상태 Navier-Stokes 방정식을 푸는 것과 같습니다. Frozen-rotor 접근법은 배플이나 다른 방해물이 없는 혼합기나 미세 유체의 원심 분리기 같이 전체 시스템이 회전하는 경우 적합합니다

그럼에도 불구하고 배플 혼합기와 같은 고정된 부품에 대한 로터 회전의 자세한 기술이 필요한 기하학적인 시스템일 때에도 Frozen Rotor 기능은 계산 자원과 시간을 감소시키는데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 기하학적 형상 같은 경우에 정확한 솔루션을 얻지 못할 수 있겠지만, Frozen Rotor 기능을 사용하면 여전히 괜찮은 근사해를 제공할 것입니다. 게다가 시간 해석을 위한 초기 속도 장과 다른 매개 변수들로 이 솔루션을 사용함으로써 전 시간 해석은 더 짧은 시간 안에 준정상 상태 조건에 도달합니다.


Modeling Free Surfaces in Mixers

Mixer 모듈은 혼합기에서 자유 유체 계면 모델링을 위한 전문화된 기능을 제공합니다. 이 기능은 표면장력과 자유 계면과 벽사이의 접촉 각의 영향을 포함 시킬 수 있습니다. Moving mesh 기술을 사용하는 Mixer 모듈은 혼합되는 유체, 자유 계면 위의 유체 및 벽과 로터의 고체 표면 사이의 접촉 선을 고체 표면을 따라 자유로이 움직이게 함으로써 자유 계면의 형상을 시뮬레이션 할 수 있게 합니다.

자유 계면을 모델링 할 수 있는 부분에는 자유 계면의 움직임이 표현된 방정식에 표면 장력 계수를 설정합니다. Mixer 모듈은 일반적인 액체와 다른 액체들뿐만 아니라 액체와 몇 가지 일반적인 기체 사이의 표면 장력 계수에 대해 미리 정의된 라이브러리를 제공합니다.

액체/기체 액체/액체
물/공기 벤젠/물
아세톤/공기 옥수수 기름/물
아세트산/공기 에테르/물
에탄올/공기 헥산/물
에틸렌 글리콜/에틸렌 글리콜 증기 수은/물
디에틸에테르/공기 올리브 기름/물
글리세린/공기
헵탄/질소
수은/수은 증기
톨루엔/공기







혼합은 3개의 블레이드 임펠러와 유동 흐름을 방해하는 2개의 봉을 통해 난류 혼합기안에서 일어납니다. 이 모델은 자유 표면의 형상을 고려하였습니다.

혼합은 3개의 블레이드 임펠러와 유동 흐름을 방해하는 2개의 봉을 통해 난류 혼합기안에서 일어납니다. 이 모델은 자유 표면의 형상을 고려하였습니다.





비등온 혼합: Rotating Machinery, Non-isothermal Flow인터페이스를 사용한 혼합 및 가열에 대한 유체 모델. 단면은 온도 본포를 나타내며, 화살표와 리본은 유동의 방향을 나타냅니다.

비등온 혼합: Rotating Machinery, Non-isothermal Flow인터페이스를 사용한 혼합 및 가열에 대한 유체 모델. 단면은 온도 본포를 나타내며, 화살표와 리본은 유동의 방향을 나타냅니다.





배플 혼합기: 4개의 블레이드 임펠러가 있는 바닥이 오목한 교반기 단면에서의 유선 및 속도 크기. 배플에 대한 색상은 압력, 단면은 속도 벡터의 값 그리고 유선은 흐름의 방향을 의미합니다.

배플 혼합기: 4개의 블레이드 임펠러가 있는 바닥이 오목한 교반기 단면에서의 유선 및 속도 크기. 배플에 대한 색상은 압력, 단면은 속도 벡터의 값 그리고 유선은 흐름의 방향을 의미합니다.




FROZEN ROTOR: Frozen-rotor 기능은 비 뉴톤 유체의 혼합 시뮬레이션에 사용됩니다. 이 기능은 계산 자원이 훨씬 적게 필요한 배플 같은 기하학적 방해물이 없는 혼합기에서 사용할 수 있습니다.

FROZEN ROTOR: Frozen-rotor 기능은 비 뉴톤 유체의 혼합 시뮬레이션에 사용됩니다. 이 기능은 계산 자원이 훨씬 적게 필요한 배플 같은 기하학적 방해물이 없는 혼합기에서 사용할 수 있습니다.




Product Features

  • Frozen rotor와 슬라이딩 격자 방법을 포함하는 회전 기기에서의 유동
  • k- epsilon모델, k-omega 모델 및 저 레이놀즈 수 k-epsilon 모델이 포함된 난류
  • 비 압축 및 저 마하 수 압축성 유동
  • 비 뉴턴 유체 모델링을 위한 Carreau와 Power-Law 모델
  • 임펠러, 샤프트 및 탱크를 위한 매개 변수화된 기하학 부품들이 포함된 부품 라이브러리
  • 회전 기기에서의 비등 온 유동
    • 층류와 난류
    • 유체와 회전 또는 비 회전 고체 부품 사이에서의 열전달
    • 복사 현상을 포함하는 Heat Transfer 모듈과의 결합
  • 회전 기계의 층류 및 난류 반응 유동
  • 표면 장력과 접촉각 효과를 가진 자유 계면 모델링
  • 일반 유체들 간의 표면 장력 계수에 대하여 선정의된 라이브러리
  • 다양한 유체에 대한 접근을 통한 고급 후처리 및 시각화
  • 다수의 혼합기 구성에 대하여 조정 가능한 모듈형 혼합기 모델
    • 세 가지 유형의 임펠러 및 두 가지 유형의 용기에 대하여 지원
  • 일반적인 입자 추적을 위한 Particle Tracing 모듈과의 결합